买专利,只认龙图腾
首页 专利交易 科技果 科技人才 科技服务 商标交易 会员权益 IP管家助手 需求市场 关于龙图腾
 /  免费注册
到顶部 到底部
清空 搜索

【发明授权】具有连续极配置的同步超导旋转机械_远景能源(江苏)有限公司;五源生态公司_201680070752.2 

申请/专利权人:远景能源(江苏)有限公司;五源生态公司

申请日:2016-12-01

公开(公告)日:2020-03-20

公开(公告)号:CN108370211B

主分类号:H02K55/04(20060101)

分类号:H02K55/04(20060101);F03D80/80(20060101)

优先权:["20151203 DK PA201570799"]

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.03.20#授权;2018.08.28#实质审查的生效;2018.08.03#公开

摘要:本发明涉及一种具有超导转子的同步励磁旋转机械,其包括多个凸出的磁性材料第一极单元和多个具有缠绕磁性材料芯元件的超导线圈的第二极单元。每个第二极单元位于两个相邻第一极单元之间。第二极单元通过多个隔热支撑元件与护铁和第一极单元分隔开,其中此间隔被抽真空,使得其作为磁性气隙。在护铁上设置有封闭壳体,其中设有第一极单元和第二极单元,其中第二极单元的超导线圈与冷却系统流体连通。第一极单元和护铁在环境温度运行同时第二极单元在低温工作温度运行。

主权项:1.一种同步超导旋转机械,包括:-转子9,相对定子8可转动地设置,其中-所述转子9至少包括护铁18,所述护铁18设置为连接至驱动轴,所述转子9还包括设置在所述护铁18上的多个第一极单元20,所述第一极单元20在至少相对所述护铁18的径向方向延伸,其中在所述第一极单元20之一的侧表面和相邻第一极单元20的相应侧表面之间形成有间隙,所述间隙中设有至少一个第二极单元21,所述至少一个第二极单元21包括至少一个超导转子线圈23,所述至少一个转子线圈23设置为当所述转子9相对所述定子8转动时,与设置在所述定子8中的至少一个定子线圈10通过电磁场相互作用,其特征在于,所述第一极单元20和所述至少一个第二极单元21设置在由壳体限定的真空腔室24中,其中所述第一极单元20和所述护铁18设置为在环境温度运行,且其中所述至少一个第二极单元21设置为在低温温度运行,其中所述至少一个第二极单元21通过至少一个隔热支撑元件34与所述护铁18分隔开,这样在所述至少一个第二极单元21和所述护铁18之间形成第一磁性气隙32,并且在所述至少一个第二极单元21和所述壳体的至少一个前壁25之间形成至少一个第二磁性气隙33。

全文数据:具有连续极配置的同步超导旋转机械技术领域[0001]本发明涉及同步超导旋转机械,其包括相对定子可旋转设置的转子,其中该转子至少包括护铁和设置在护铁上的多个第一极单元,其中,在两个相邻的第一极单元之间形成的间隙中设有至少一个第二极单元。该至少一个第二极单元包括至少一个超导转子线圈,其中当转子相对于定子转动时,该至少一个转子线圈设置为与定子中设置的至少一个定子线圈经由电磁场相互作用。背景技术[0002]近年来,所谓直接驱动机构已被用于多种应用,例如用于驱动电机、车辆、火车或船的电机,以及用于在风力发电领域或其他发电如水力发电领域产生电力的发电机。这些机械大多数是同步励磁旋转机械,大多数是在转子上分布有大量极单元。这种旋转机械的优点在于相对低速的高扭矩和良好的控制。在大多数电机中,激励元件是穿过由定子中绕组产生的移动磁场同步移动的转子。在大多数发电机中,励磁元件是在定子的绕组中产生电流的转子,并且因此当其相对于定子旋转时产生电功率输出。这些功能也可以反转,使得衔铁定子转动而励磁元件转子静止。[0003]能够使用永磁体或者使用通过其能够传导电流的一组电线圈来激励这种转子。在大部分定子-转子配置中,多个极单元沿励磁元件的内表面或外表面分布,例如在由磁性材料制成的护铁上。每个极单元可包括缠绕非磁性载体的导电线圈,即气隙绕组,或者包括由导电线圈环绕的磁性材料的芯元件。在本文中,磁性材料通常是指铁磁材料。直流电流通过这些转子线圈传导,使得两个相邻的极单元之间的磁场方向相反,即第一个为北极,下一个为南极。通过将相邻极单元的转子线圈绕组设置为相反方向,能够实现这个运行状况。或者,如果这些绕组的方向是相同的且相邻极单元的转子线圈的电流方向是相反的,能够实现同样的效果。[0004]转子的极单元的总数量通常是偶数,并且由此相邻极单元能够成对设置。单独的极单元能够设置为庶极设置,其中每个极单元的电线圈具有一致的电流方向。这些电线圈中的电流必须增高或者各个线圈的绕组数量必须至少加倍以实现相同的输出。以这种方式,相比更常见的每个单独的极单元具有一组电线圈的极设置,能够保持相同或大致相同的磁通密度。铜或铝通常用作这些线圈的导电材料。[0005]这种旋转机械中也使用超导体。超导旋转机械能够制造得更加紧凑,并且在某种意义上需要更少的资源。然而,这种超导线圈必须在低于他们临界温度的工作温度下运行,例如在50K、30K或者甚至更低的低温工作温度。[0006]US20080197633描述了一种旋转机械,其中超导线圈位于低温恒温器中,并且冷却剂如液氦在线圈周围流动以将线圈冷却到其低温工作温度。提供另外的真空容器用于隔热,可选地具有包含其他冷却剂例如液氮)的其他容器或热屏蔽件。该方案具有由多个容器组成的复杂设计,这又增加了制造成本。[0007]EP2521252Β1描述了一种配置,其中磁性护铁设置有单独的凸出磁极单元。每个单独的极单元由一组超导线圈包围,而超导线圈又设置在低温恒温器内。在这种设计中,超导线圈在低温工作温度下运行,而位于低温恒温器外部的磁性材料在环境温度下运行。此夕卜,每个单独的超导线圈必须支撑在低温恒温器的壁上。这种配置表明作用在低温恒温器壁上的力传递到相邻的极单元,并且因此需要加固单独的低温恒温器以防止它们失效。这反过来又提供了一个非常复杂且因此昂贵的设计。[0008]WO2012031621描述了一种转子,其中每个单独的极单元具有超导转子线圈。能够存冷却剂的低温恒温器设置在每组转子线圈周围。每个单独的低温恒温器位于真空容器中以隔热。每个单独的转子线圈由不同的电源驱动,这样使得其在出现故障的情况下能够关闭。然而,关闭一个或多个转子线圈将降低功率输出。在这个复杂的设计中,每个单独的转子线圈的电流必须从环境温度传导通过真空容器并进一步通过低温恒温器。这显著增加了冷却系统所需的冷却能力。冷却能力P从而基于电流根据P=I2·R计算,其中I是工作电流,R基本为电源供应线的电阻。在超导机械中,这能够占到整个转子损耗的25%或更多,这又增加了与极单元总数量并重的因素。在旋转机械中,这些转子损耗是经济上过高的,例如直接驱动风力涡轮机,具有大量极单元,如32个或48个或更多。[0009]DE102011005217Al描述了一种同步旋转机械的转子,其中,具有凸出磁极单元的整个磁性护铁由低温恒温器环绕,并保持在超导线圈的低温工作温度。单独的极单元设置为连续极配置,其中只有每个第二极单元包括超导线圈。此设计具有非常大的热质量并需要高冷却能力用于冷却或相应地,需要长的等待时间,因为必须将整个热质量冷却至超导体的工作温度。这在调试、维护或维修操作的情况下是很大的劣势,因为它显著增加了旋转机械的停机时间。此外,作用在转子的磁性部分的整个扭矩必须从低温工作温度传递至环境温度,这又降低了旋转机械的效率。[0010]WO2015084790Al公开了具有分段转子和定子的旋转机械,其中转子包括护铁,护铁上设有多个极单元,多个极单元要么设置为连续极设置要么设置为不间断极设置。每个第二极单元或者所有极单元包括封在跑道形低温恒温器中的超导线圈,该低温恒温器围绕从护铁直接向定子凸出的暖芯元件设置。超导线圈在低温下运行,而转子的其余部分在环境温度下运行。该解决方案需要双壁低温恒温器以提供足够的隔热,其中超导线圈浸没在低温恒温器的最内腔室中的冷却剂中。超导线圈必须连接到位于该最内腔室内的容置结构,以便允许力通过壁传递并进一步进入暖芯部件。该转子设计在低温恒温器的外壁与暖芯元件和护铁之间具有大的热传递接触表面,因此需要额外的冷却能力以将超导线圈保持在期望的低温工作温度下。发明内容[0011]发明目的[0012]本发明的一个目的在于提供解决上述问题的超导同步电机。[0013]本发明的一个目的在于提供能够更有效地制造的超导同步电机,降低制造成本。发明内容[0014][0015]本发明的一个目的通过一种同步超导旋转机械实现,其包括:[0016]-转子,相对定子可转动地设置,其中,[0017]-该转子至少包括护铁,护铁设置为连接至驱动轴,例如经由转子结构,该转子还包括设置在护铁上的多个第一极单元,该第一极单元至少在相对于护铁的径向方向延伸,其中在所述第一极单元之一的侧表面和相邻第一极单元的相应侧表面之间形成间隙,间隙中设有至少一个第二极单元,其中该至少一个第二极单元包括至少一个超导转子线圈,该至少一个转子线圈设置为当转子相对定子转动时,与设置在定子上的至少一个定子线圈通过电磁场相互作用,其中第一极单元和至少一个第二极单元设置在由壳体限定的真空腔室中,其中第一极单元和护铁设置为在环境温度下运行,其中至少一个第二极单元设置为在低温温度运行,其中至少一个第二极单元通过至少一个隔热支撑元件与护铁分隔开,这样在该至少一个第二极单元和护铁之间形成第一磁性气隙,在该至少一个第二极单元和壳体的前壁之间形成第二磁性气隙。[0018]该设置提供了紧凑、轻质的超导旋转机械,相比传统铜基旋转机械占用更少的空间并节约材料和重量。此旋转机械也提供了相比传统旋转机械升高的电流密度,因为转子线圈和或定子线圈在他们的临界温度以下运行。此紧凑设计进一步考虑到转子的快速装配过程,因为超导极单元,即至少第二极单元可分开制造并随后以简易的方式安装至转子的剩余部分。这些超导极模块可使用隔热支撑结构或元件安装。[0019]驱动轴、转子结构、护铁和第一极单元作为旋转机械的暖侧部件,而第二极单元作为旋转机械的冷侧部件。这将需要冷却的总质量降低至最小,这又降低了冷却系统所需的冷却能力,与DE102011005217A1中需要将整个转子组件冷却至低温工作温度的设计不同。[0020]该转子可设置在定子内,反之亦然,其中定子和转子通过间隙间隔开,这样使得转子能够相对定子转动。在环境压力下,这个物理间隙是旋转机械的磁性气隙的一部分。该间隙可为例如5-40_之间。当在轴向方向观察时,该定子和转子可具有大致圆形的截面轮廓。[0021]术语“低温工作温度”被定义为低于各自线圈超导材料的临界温度的工作温度。术语“环境温度”定义为高于低温工作温度的周围环境的温度。[0022]根据一个实施例,第一极单元成形为从护铁外表面凸出的磁性极元件,其中所述磁性极元件具有的径向高度至少对应于至少一个第二极单元的厚度。[0023]优选地,第一极单元成形为凸出极元件,每个凸出极元件具有向定子延伸的自由端。这些极元件可形成护铁的一部分或通过机械耦合,例如轨道元件(如燕尾榫或指形榫)和相应的成形为接收轨道元件的凹槽、或紧固装置如螺栓、或其他合适的安装技术安装至护铁。每个第一极元件具有预定径向高度、轴向长度和横向宽度。所述轴向长度在平行于转子的纵向方向的方向测量,而横向宽度在垂直于纵向和径向方向的方向测量。第一极元件形成多个物理间隙或间隔,第二极单元位于物理间隙或间隔内。该配置降低了功率传输元件的数量,即极单元具有电传导线圈,因为第一极单元不包括任何转子线圈,这又减少了所需的安装空间和总装配时间。转子可包括任意数量的第一极单元和第二极单元,例如15到30个之间的第一极单元和15到30个之间的第二极单元,从而一共30到60个之间的极单元。这也允许作用在转子线圈如超导线圈上的磁力能够在冷侧以机械稳定的方式被吸收,并随后经由一个或多个隔热支撑元件传递至暖侧。作用在第一极单元和第二极单元上的磁力随后在暖转子结构被吸收,这又允许相比传统旋转机械更具成本效益的设计。[0024]护铁可连接至转子结构的一端,转子结构的另一端可连接至驱动轴。或者,护铁可形成转子结构的一部分或被转子结构包围,这样他们形成单个单元。该转子结构可设置为传递来自护铁的扭矩和力到驱动轴。护铁可由实心材料或层压板制成,它们粘合在一起以形成真空腔室的气密后壁。第一极单元和或护铁可由磁性材料制成,例如铁如纯铁)、磁钢或电工钢、高碳钢、含镍钢、低碳钢例如ARMCO®牌)、或其他适合的材料。转子结构可由具有强结构性能的材料制成,例如任意类型的钢、纤维增强塑料例如GFRP、或其他适合的材料。护铁在径向方向的厚度可基于具体磁性需求选取,且由此其能够更具成本效益地制造。在实例中,护铁可具有任何合适的厚度,例如高至120mm或在30mm到70mm之间,优选地在40mm至60mm之间,例如50mm。[0025]根据一个实施例,该至少一个前壁面向定子,且该壳体进一步包括连接至至少一个前壁的至少一个端壁,其中该至少一个端壁还连接至护铁和转子结构中的至少一个。[0026]第一极单元和第二极单元位于密闭腔室内,该密闭腔室能够使用内部或外部真空系统如真空栗抽真空。内部真空系统可集成入旋转机械,如设置在转子结构上。一个或多个连接阀或释放阀可安装在壳体、转子结构和或护铁内,以允许密闭腔室被抽真空。密闭腔室内的压力可降低至1微巴或更低,优选地,至0.1微巴或更低,以便其基本上形成真空腔室。壳体、护铁和可选地,转子结构也作为超导极单元的低温恒温器。然而,不同于传统旋转机械,本设置形成公共低温恒温器,所有超导极单元都位于其中。此外,本低温恒温器未充满冷却液来冷却超导线圈。取而代之的是,真空腔室作为隔热腔室防止热量通过周围的暖部件和冷部件之间的气体对流传递。[0027]壳体可包括面向定子的一个或多个前壁和位于转子相应端的一个或多个端壁。端壁可通过气密密封如焊接、金属密封、聚合物密封或其他合适密封方式连接至前壁,端壁可通过其他气密密封进一步连接至转子结构或护铁。前壁、端壁、转子结构和护铁可通过螺钉、螺栓、焊接或其他合适的安装技术安装在一起。前壁和或端壁的厚度可例如为15mm或更少,优选地IOmm或更少。这允许低温恒温器的腔室被隔绝并随后抽真空,使得其作为真空腔室。前壁和或端壁可由非磁性材料制成,以防止转子磁场短路,例如不锈钢、纤维增强塑料如GFRP、碳纤维复合材料如CFC、铜、铝、至少含铜或铝的合金、或其他合适材料。所述纤维可为有机纤维、玻璃纤维或其他合适的纤维。或者,端壁可由磁性材料制成,例如铁如纯铁)、磁钢或电工钢、高碳钢、含镍钢、低碳钢如ARMCO®牌、或其他适合的材料。[0028]屏蔽层可应用于壳体,例如前壁和或端壁,以抑制感应到转子中的交流电。屏蔽层也可以用来确保旋转机械的同步性。该屏蔽层可以被应用至壳体的外部和或内部,并且可以由具有良好导电性的材料如铜、铝、或者至少包含铜或铝的合金构成。例如,屏蔽层的厚度可以为2mm至IOmm,优选地,2mm至5mm,例如3mm。可选地或附加地,一个或多个加强支柱可以安装到壳体的外部和或内部以提供额外的支撑。[0029]前壁可以与位于第一极单元的自由端上的外表面间隔开,使得第二极单元位于其中的间隙在横向方向上形成连续间隔。或者,前壁可以接触每个外表面并且可选地通过机械耦合,例如轨道元件例如燕尾榫和用于接收轨道元件的对应凹槽、或者紧固装置例如螺栓或螺钉装到自由端。然后间隙在横向方向上形成第二极单元处于其中的单独的空间。[0030]根据一个特定实施例,该至少一个第二极单元包括围绕各自的第二极单元的至少一个热屏蔽件,其中该至少一个热屏蔽件通过第一冷却系统主动地冷却。[0031]每个第二极单元具有热屏蔽件,其覆盖相应第二极单元的任何外部表面或至少大多数的外部表面,即外表面、内表面、侧表面和可选的端表面。该主动冷却热屏蔽件可以包括一个或多个第一冷却通道或至少一个第一冷却元件例如带或层,其具有良好导热性能,例如铜、铝、银、镁、至少包含铜或铝的合金或其他合适的材料或合金。热屏蔽件可以进一步包括至少一个具有良好隔热性能的隔热层或隔热层压板,例如隔热膜或其他合适的隔热材料。这允许关键部件被包裹在热屏蔽件中以进一步减少冷侧和暖侧之间的热传递。[0032]第一冷却系统可以经由设置为循环第一冷却剂的管道或软管系统或经由设置为将热量从热屏蔽件传导走的第一组热传导元件,例如金属棒或金属丝连接到热屏蔽件。第一冷却系统可以设置为主动地将热屏蔽件冷却至中间工作温度。第一冷却系统可以包括第一栗单元和一个或多个第一冷却单元,例如换热器,用于从第一冷却剂移除热量。第一冷却剂可以在位于热屏蔽件内或相对于热屏蔽件确定位置的第一冷却通道内循环。或者,可以省略第一栗单元,并且第一冷却单元可以是用于从第一组热传导元件移除热量的冷头。中间工作温度可以高于低温工作温度并且低于环境温度。例如,该中间工作温度可以比所选择的低温工作温度高IOK至60K。[0033]根据另一特定实施例,第一冷却系统通过一组热传递元件连接到至少一个热屏蔽件,该热传递元件设置为从至少一个热屏蔽件移除热量,其中至少一个热传递元件经由另一热传递元件进一步连接到所述至少一个隔热支撑元件。[0034]第一冷却系统可以进一步包括通过单独的管道或软管系统与第一冷却单元,例如冷头流体连通的至少一个第一压缩机单元。第一压缩机单元可设置为使第一工作流体经由该单独管道或软管系统限定的第一管线和第二管线穿过第一冷却单元循环。例如,第一工作流体可以是合适的气体或液体,例如氦气或氮气。第一工作流体可以经由第一管线例如在环境温度或高于环境温度供给到第一冷却单元中,并通过第二管线回送到第一压缩机单元。第一管线中的第一工作流体的压力可以例如在10巴和25巴之间。控制器可以经由电缆连接到第一冷却系统的各个部件以控制第一冷却系统的运行。[0035]位于第一冷却系统和热屏蔽件之间的管道或软管系统或第一组热传导元件可以作为热传递元件,用于从热屏蔽件移除热量。可选地,另一热传递元件,例如,热传导元件可以在一端连接到所选的管道或软管线路或热传导元件。该热传递元件可以在另一端连接到位于所选的隔热支撑元件上的连接点。这允许任何引入到支撑元件中的热量经由所选的管道或软管线路或热传导元件散入第一冷却系统中。[0036]根据另一特定实施例,所述至少一个第二极单元包括围绕各自的第二极单元的至少一个热屏蔽件,其中所述至少一个热屏蔽件是包括至少一个隔热层的被动热屏蔽件。[0037]在此设置中,热屏蔽件可为具有良好隔热性能的隔热层压板。该隔热层压板可包括由商业可购得的超隔热材料制成的两层或更多层,优选地两片或三片此预制材料。这样的超隔热材料由至少一层聚乙烯、聚酯或其他合适的覆盖有反射材料的支撑材料制成,反射材料如铝或金,作为对抗热辐射的镜子。这种镜箱的片可由玻璃纤维网分开,通常是预先包装的十个交替层。这允许热屏蔽件作为暖部件和冷部件之间的被动热障。[0038]主动或被动热屏蔽件可与超导线圈装置分隔开几毫米,并且可选地与其绕组芯元件隔开几毫米。这个间距可例如为5_或更少,优选地3_或更少。[0039]根据一个实施例,超导线圈由高温超导材料制成并设置为在不超过70K的低温工作温度下运行。[0040]第二冷却系统可设置为冷却超导线圈至70K或更低的低温工作温度。例如,超导线圈可以在4K至IOK之间或者IOK至20K之间运行。该超导线圈还可在15K至70K之间或25K至35K之间运行。该低温工作温度可根据具体的定子-转子设置和或超导线圈材料选取。这使得超导线圈的电阻能够降低至大致为零同时提高超导线圈中的电流密度。在优选的实施例中,至少转子线圈由高温超导材料(HTS制成,例如MgB2、稀土BCO例如YB⑶或GdBCO、850、8500、1800、冊00或者其他任何合适的材料。这使得旋转机械能够设置为局部或全超导机械。[0041]暖侧可设置为在遵照旋转机械的环境温度的温度下运行。此环境温度可为250K或更高,优选地为250K至350K之间,例如300K。[0042]第二极单元中的超导装置可以包括设置成一行或多行和一列或多列的多个绕组。各个超导线圈可以具有圆形、椭圆形、矩形、方形、跑道形或其他合适的形状。超导线圈优选缠绕在绕组芯元件上,例如实心元件或由厚板或薄板制成的层压板,并具有沿轴向延伸的可选的张力锚。绕组芯元件可以由磁性材料制成,例如铁例如纯铁)、磁钢或电工钢、高碳钢、含镍钢例如FeNi9、低碳钢例如ARMC0®牌)、至少含有铁的合金例如FeSi或FeCo或其他合适的材料。这使得在超导线圈中出现的内部磁力被吸收在绕组芯元件中,同时减少了涡流损耗。由于超导线圈和绕组芯元件都在基本相同的温度水平下运行,因此冷却系统的冷却能力可以降低。或者,可以使用由非磁性材料制成的绕组芯元件,从而产生旋转机械的气隙概念。[0043]根据另一特定实施例,所述至少一个第二极单元还至少包括:[0044]-至少一个间隔元件,其设置在芯元件和超导线圈之间。[0045]可选地,该超导线圈装置可以在径向方向上夹在至少两个板状元件中间。超导线圈装置还可具有至少一个距离保持元件,即间隔元件,围绕绕组芯元件延伸。此间隔元件可遵照至少上述各个超导线圈选取的形状成形。该板状元件和或间隔元件可通过适合的附接技术如粘结、灌注或其他合适的技术附接至超导线圈装置。该板状元件和或间隔元件可由非磁性材料制成,例如不锈钢、纤维增强塑料例如GFRP、碳纤维复合材料例如CFC、铜、铝、包含至少铜或铝的合金、或其他合适的材料。间隔元件的使用允许从芯元件延伸的场线改变方向并从而在到达超导线圈之前弯曲。当使用超导线圈时,这特别适合,因为超导线圈中使用的一些超导体具有各向异性,他们的载流能力受到垂直于线圈表面积的线圈法线方向且垂直于电流方向的穿过线圈的磁通线的限制。这允许更高的工作电流。电绝缘体例如卡普顿薄膜可应用在超导线圈装置、间隔元件和板状元件之间。[0046]第二极单元与护铁的外表面分隔开,这样将第二极单元和护铁之间的传热面积降低至最小。通过在转子的各个端提供一个或多个隔热支撑元件,可完成这点。各个支撑元件一端安装至选取的第二极单元,例如安装至热屏蔽件、芯元件或其另一部件,另一端安装至转子结构或护铁。优选地,支撑元件可连接至位于转子结构上的一个或多个安装点,例如加固元件,这样使得支撑元件长度增加。例如,支撑元件的长度可为130mm至170mm之间,如150mm。这允许冷的第二极单元在各个方向上的力经由这些支撑元件被传递至暖的转子结构。可选取支撑结构的材料和位置使得正常运行期间的力以及万一发生短路时的力被传递至转子结构,同时大致保持第二极单元处于他们各自的位置。[0047]例如,至少一个支撑元件可在横向方向延伸并连接至第二极单元和相邻第一极单元。至少一个支撑元件可在径向方向延伸并连接至第二极单元和转子结构或护铁。或者,这些支撑元件中的至少一个可在径向和横向组合方向延伸并连接至转子结构或护铁。[0048]根据一个实施例,该至少一个隔热支撑元件的热导率低于40Wm·K。[0049]支撑元件可包括位于一端或两端的金属接头,用于将其安装至转子结构和或第二极单元。一个或多个隔热元件可设置在各个端之间,这样使得他们作为暖端和冷端之间的热障。该隔热元件还为支撑元件提供结构强度,这样使得来自第二极单元的力,例如压力和拉力被传递至转子机构。隔热元件的热导率可例如低于40Wm·K,优选地,低于10Wm·K,或者甚至低于lWm·K。隔热元件可由隔热材料制成,例如纤维增强塑料例如GFRP、钛、或其他合适的材料。该纤维可为有机纤维、玻璃纤维、碳纤维、或其他合适的纤维。[0050]支撑元件还可包括可调节装置,例如螺纹耦合或可以选择性插入销的一行孔,用于调节其轴向长度,该轴向长度在其安装点之间测量。或者,调节装置例如可变形球或弹簧元件,可用于补偿支撑元件在正常运行期间的热收缩。[0051]根据另一特定实施例,第一磁性气隙具有Imm至30mm的径向高度且或至少第二磁性气隙具有15mm至50mm的径向高度。[0052]通过上述支撑元件,每个第二极单元可与相邻第一极单元的侧表面、护铁的外表面和壳体的前壁的内表面分隔开。该间隔的径向高度和横向宽度在各自的侧表面、外表面或内表面与第二极单元的对应外部表面之间测量。这将各自的第二极单元所位于的间隙分成几个空间,例如磁气隙。第一磁气隙可以在各自的第二磁极单元和护铁之间形成,并且径向高度可以例如在Imm至30mm之间,优选地在IOmm至12mm之间。第二磁性气隙可以在各自的第二极单元和壳体的前壁之间形成,并且径向高度可以例如在15mm至50mm之间,优选在20mm至30mm之间,例如25毫米。第三间隙或间隔可以在各自的第二极单元和相邻的第一极单元中的任一个之间,并且横向宽度可以例如在Imm至50mm之间,优选地大于5mm。[0053]根据一个实施例,该至少一个第二极单元还连接至第二冷却系统,第二冷却系统设置为将超导线圈冷却至低温工作温度。[0054]第二极单元可包括与一个或多个第二冷却通道流体连通的一个或多个入口和出口,第二冷却通道相对超导线圈设置。该入口和出口可进一步与第二冷却系统经由设置为循环第二冷却剂的管道或软管系统流体连通。第二冷却系统可包括第二栗单元和一个或多个第二冷却单元,例如热交换器,以将热量从循环的第二冷却剂移除。第一冷却剂和或第二冷却剂可为氦、氮或其他合适的冷却剂。循环的第一冷却剂和或第二冷却剂可为气态和或液态。或者,一个或多个热传导元件如金属线、板或杆,可相对超导线圈设置,并作为第二冷却元件。可选地,第二极单元的间隔元件和或板元件也可作为第二冷却元件。第二冷却元件可经由第二组热传导元件如金属杆或线,连接至第二冷却系统,以将热量传导远离第二极单元。在此设置中,第二冷却系统的第二冷却单元可为冷头,其设置为将热量从超导线圈移除的。[0055]连接到第一和或第二冷却系统的各自的管道或软管系统或各组热传导元件可以被一个或多个隔热层或另一个热屏蔽件覆盖以进一步减少传热。各个热传导元件可以由具有良好导热性能的材料或合金制成,例如铜、银、铝、镁或其他合适的材料或它们的合金。连接到第一和或第二冷却系统的各自管道或软管系统或各组热传导元件可以位于热屏蔽件和或第二极单元的一端或两端。[0056]第二冷却系统可以可选地包括通过单独的管道或软管系统与第二冷却单元,例如冷头流体连通的至少一个第二压缩机单元。第二压缩机单元可设置为使第二工作流体经由第三管线和第四管线通过第二冷却单元循环,第三管线和第四管线由该单独的管道或软管系统限定。第二工作流体例如可以是合适的气体或液体,例如氦或氮。第二工作流体可以经由第三管线例如在环境温度或高于环境温度下供应到第二冷却单元中,并通过第四管线回流到第二压缩机单元。控制器可以经由电缆连接到第二冷却系统的各个部件以控制第二冷却系统的运行。或者,第一和第三管线可以是公共管线,第二和第四管线可以是另一条公共管线。同样地,第一和第二压缩机单元可以是公共压缩机单元。[0057]连接至热屏蔽件的第一组热传导元件可相对连接至超导线圈装置的第二组热传导元件设置。可选地,一个或多个连接元件可设置在第一热传导元件和超导线圈装置之间。可选地,一个或多个屏蔽元件可连接至第二热传导元件和超导线圈装置。屏蔽元件可从各个热传导元件向外凸出并伸入抽真空的空间。例如,两个屏蔽元件可连接至第二热传导元件,使得他们在第一热传导元件内形成中间空间,并且可选地,可设置连接元件。例如,屏蔽元件可由与热传导元件相同的材料制成,或不同材料制成且或具有几毫米的厚度,例如Imm或2_。这也避免第一热传导元件受到来自位于冷部件周围的较暖部件的热辐射。[0058]根据一个特定的实施例,该旋转机械设置为发电机。[0059]本旋转机械可设置为发电机,其中驱动轴安装至驱动转子的外部单元,例如涡轮机单元。定子线圈可电连接至功率转换器以产生功率输出。HTS-线圈的使用意味着该设置特别适用于风能领域或水电领域。[0060]或者,本旋转机械可设置为电机,其中驱动轴驱动外部单元,例如发电机、汽车、火车或船的齿轮箱单元。[0061]定子还可包括护铁,护铁具有面向转子的内表面,其中定子线圈可设置在此内表面上。或者,内表面上可形成多个槽,这样使得护铁形成多个定子齿。从而,定子线圈可位于这些槽中,并相对这些定子齿固定,例如使用楔子。定子线圈可为与适当的冷却系统流体连通的铜基线圈或超导线圈。[0062]本发明的一个目的也可通过风力涡轮机实现,该风力涡轮机包括:[0063]-机舱,设置在风力涡轮机塔架上;[0064]-可转动轮毂,相对机舱设置,该轮毂连接至至少两个风力涡轮机叶片;[0065]-发电机,连接至轮毂,其中该发电机包括转子,转子相对定子可转动地设置,其中[0066]-发电机为同步超导发电机,设置为如上所述。[0067]至少在转子中,HTS-线圈的使用提供紧凑和轻质的发电机,其特别适用于风能领域的应用。与传统的铜基风力涡轮发电机相比,这节省了兆瓦级范围内的风力涡轮机的空间、重量以及制造成本。附图说明[0068]仅通过实例并参照附图描述本发明,其中:[0069]图1示出了风力涡轮机的示范性实施例;[0070]图2示出了根据本发明的具有定子和转子的旋转机械的示范性实施例;[0071]图3示出了转子在轴向方向上观察的剖视图;[0072]图4不出了图3的剖视图的放大部分;[0073]图5示出了转子在横向方向上观察的剖视图。[0074]在下文中,将逐一描述附图,且图中显示的不同部件和位置在不同的图中将使用相同的数字标号。特定附图中示出的所有部件和位置并非必须与该附图一起讨论。[0075]位置标号列表[0076]1风力涡轮机[0077]2风力涡轮机塔架[0078]3地基[0079]4机舱[0080]5轮毂[0081]6风力涡轮机叶片[0082]7发电机[0083]8定子[0084]9转子[0085]10定子线圈[0086]11定子和转子之间的间隙[0087]12转子结构[0088]13驱动轴[0089]14第一冷却单元、第二冷却单元[0090]15第一压缩机单元与第二压缩机单元连接点[0091]16第一管线、第三管线[0092]17第二管线、第四管线[0093]18护铁[0094]19护铁外表面[0095]20第一极单元[0096]21第二极单元[0097]22第一极单元外表面[0098]23转子线圈、超导线圈[0099]24腔室[0100]25壳体前壁[0101]26超导线圈装置[0102]27绕组芯元件、芯元件[0103]28间隔元件[0104]29板形元件[0105]30热屏蔽件,被动冷却[0106]31热屏蔽件,主动冷却[0107]32第二间隙,磁性气隙[0108]33第一间隙,磁性气隙[0109]34支撑元件[0110]35安装点[0111]36第一组热传导元件[0112]37屏蔽元件[0113]38第二组热传导元件[0114]39连接元件[0115]40连接点[0116]41端壁具体实施方式[0117]图1示出了风力涡轮机1的示范性实施例。风力涡轮机1包括设置在地基3上的风力涡轮机塔架2。机舱4设置在风力涡轮机塔架2的顶部,并设置为通过偏航系统未示出)相对风力涡轮机塔架2偏航。轮毂5相对机舱4可转动地设置,其中至少两个风力涡轮机叶片6安装至轮毂5此处示为3个风力涡轮机叶片)。[0118]发电机7形式的旋转机械相对机舱4设置,此处发电机封入机舱壳体中。发电机7经由驱动轴图2所示可转动地连接至轮毂5,以产生功率输出。[0119]图2示出了旋转机械的示范性实施例,其包括定子8和相对定子8可转动设置的转子9。定子8包括护铁未示出),护铁具有面向转子9的内表面。每个极单元具有至少一个定子线圈10的多个极单元相对此内表面确定位置,极单元设置为当转子9相对定子8转动时,通过电磁场与多个转子线圈(图3、4所示)相互作用。在定子8和转子9之间形成有物理间隙11以允许转子9的转动。[0120]转子9还包括面向定子8的护铁图3、4所示),护铁连接至转子结构12。转子结构进一步连接至驱动轴13并使得扭矩能够从护铁传送至驱动轴13。该驱动轴13可转动地连接至轮毂5,例如直接连接或通过齿轮箱单元未示出连接。[0121]冷头形式的多个第一冷却单元14相对转子9设置,以将热量从围绕第二极单元的外部表面图3、4所示)的热屏蔽件(图4所示移除。第一冷却单元14连接至第一压缩机单元15,此处仅示出了第一压缩机单元15的连接点(例如旋转的通孔)。第一压缩机单元15设置为通过第一管线16和第二管线17穿过第一冷却单元14循环第一工作流体。第一冷却单元14、第一压缩机单元15、第一管线16和第二管线17形成第一冷却系统的一部分,以主动冷却热屏蔽件图4所示至中间工作温度。[0122]以类似的方式,冷头形式的多个第二冷却单元14’相对转子9设置,以将热量从第二极单元(图3、4所示)的转子线圈(图4所示移除。此处,示出了总共六个冷却单元14、14’。第二冷却单元14’连接至第二压缩机单元15’,此处仅示出了第二压缩机单元15’的连接点例如旋转的通孔)。第二压缩机单元15’设置为通过第三管线16’和第四管线17’穿过第二冷却单元14’循环第二工作流体。第二冷却单元14’、第二压缩机单元15’、第三管线16’和第四管线17’形成第二冷却系统的一部分,以主动冷却超导线圈至低温工作温度。[0123]图3示出了在轴向方向从转子9的一端观察的转子9。转子结构12连接至护铁18,护铁18具有面向定子8的外表面19。转子9包括相对护铁18的外表面19设置的多个第一极单元20和多个第二极单元21。每个第一极单元20设置为由磁性材料制成的无转子线圈的极元件图4所示)。第一极单元20在径向方向从外表面19向外凸出,并具有位于其自由端的外表面22。如图3所示,两个相邻的第一极单元20的相对面向侧表面之间形成间隙。此处,一个第二极单元21设置在此间隙中。第二极单元21包括至少一个超导线圈形式的转子线圈23,该超导线圈由设置为在不超过70K的低温工作温度下工作的高温超导材料制成。[0124]图4示出了转子9的放大部分,其中为了说明的目的,省去端壁(图5所示)。转子结构12连接至形成密闭腔室24的壳体,密闭腔室24中设有第一极单元20和第二极单元21。腔室24能够连接至设置为将腔室24抽真空的真空系统未示出),这样使得其作为真空腔室。端壁图5所示形成壳体的一部分,并且其一端连接至转子结构12。壳体的前壁25定位在第一极单元20和第二极单元21附近,并连接至端壁图5所示)的另一端。护铁18以及部分转子结构12作为壳体的后壁。[0125]第二极单元21包括超导线圈装置26,其中多个第二冷却元件未示出)相对超导线圈设置。第二冷却元件经由第二组热传递元件连接至第二冷却系统,以从超导线圈移除热量。单独的超导线圈缠绕在磁性材料制成的绕组芯元件27周围。至少一个间隔元件28设置在超导线圈和绕组芯元件之间。该间隔元件28围绕芯元件27延伸且至少遵照该单独的超导线圈的形状。相比其他线圈装置,这允许更高的工作电流。[0126]可选的板状元件29分别设置在超导线圈装置26的顶端和底端。间隔元件28和或板状元件29由非磁性材料制成。[0127]被动热屏蔽件30在第二极21的外部表面周围应用。该热屏蔽件30为隔热层压板,包括由具有良好绝热性能的超绝热材料制成的至少两个层。或者,主动冷却热屏蔽件31在第二极单元21的外部表面周围应用。该热屏蔽件31为具有由隔热膜制成的至少一个层和至少一个第一冷却元件未示出)的层压板。热屏蔽件30、31作为热障,减少了暖的护铁18、转子结构12、壳体、第一极单元20和冷的第二极单元21之间的热传递。[0128]第一冷却元件经由第一组热传递元件连接至第一冷却系统,以从热屏蔽件31移除热量。该热屏蔽件31与超导线圈装置26间隔5_或更少。[0129]每个第二极单元21与护铁18的外表面19、第一极单元20通过至少一个隔热支撑元件(图5所示分隔开,使得形成多个间隙。第一间隙32位于第二极单元21和护铁18之间。第二间隙位于第二极单元21和前壁25之间。第一间隙和第二间隙32、33促成旋转机械的磁性气隙。如图4所示,第三间隙进一步位于第二极单元21和任一相邻第一极单元20之间。[0130]图5示出了在横向方向上观察的转子9的一端的剖视图。此处,第二极单元21示为具有主动冷却热屏蔽件31。[0131]至少一个支撑元件34在径向方向延伸,且一端连接至第二极单元21。该支撑元件34另一端连接至转子结构12上的安装点35,例如加固元件。至少一个支撑元件34未示出)在横向方向延伸,且一端连接至第二极单元21。此支撑元件34另一端连接至第一极单元20。单独的支撑元件34包括至少一个隔热元件,该隔热元件作为暖端和冷端之间的热障。优选地,隔热元件的热导率低于40Wm·K,并为支撑元件34提供结构强度。[0132]此处,连接至第一冷却系统和热屏蔽件31的热传递元件设置为热传导元件36,仅示出一个。热传导元件36连接设置在相对侧的两个屏蔽元件37,其伸入真空腔室24中形成中间空间。此处,连接至第二冷却系统和第二极单元21的热传递元件也设置为热传导元件38;仅示出一个。热传导元件38设置在此中间空间中,使得屏蔽元件37保护第二组热传导元件38不会受到来自位于这些冷的部件周围的较暖部件的热辐射。可选的连接元件39设置在热传导元件38和第二极单元21之间,使得热传导元件38能够位于此中间空间中。[0133]热传导元件虚线示出)形式的另一个热传递元件连接至选取的热传导元件36并连接至位于选取的支撑元件34上的连接点40。这允许引入支撑元件的热量散入第一冷却系统。[0134]壳体的端壁41此处示为L-形壁,连接至前壁15和转子结构12。

权利要求:1.一种同步超导旋转机械,包括:-转子9,相对定子⑻可转动地设置,其中-所述转子9至少包括护铁(18,所述护铁(18设置为连接至驱动轴,例如经由转子结构(12连接,所述转子9还包括设置在所述护铁18上的多个第一极单元20,所述第一极单元20在至少相对所述护铁18的径向方向延伸,其中在所述第一极单元20之一的侧表面和相邻第一极单元20的相应侧表面之间形成有间隙,例如磁性气隙,所述间隙中设有至少一个第二极单元21,所述至少一个第二极单元21包括至少一个超导转子线圈(23,所述至少一个转子线圈(23设置为当所述转子9相对所述定子8转动时,与设置在所述定子⑻中的至少一个定子线圈(10通过电磁场相互作用,其特征在于,所述第一极单元20和所述至少一个第二极单元21设置在由壳体限定的真空腔室24中,其中所述第一极单元20和所述护铁18设置为在环境温度运行,且其中所述至少一个第二极单元21设置为在低温温度运行,其中所述至少一个第二极单元21通过至少一个隔热支撑元件34与所述护铁(18分隔开,这样在所述至少一个第二极单元21和所述护铁(18之间形成第一磁性气隙(32,并且在所述至少一个第二极单元21和所述壳体的至少一个前壁25之间形成至少一个第二磁性气隙(33。2.根据权利要求1所述的同步超导旋转机械,其特征在于,所述第一极单元20成形为从所述护铁18的外表面19凸出的磁性极元件,其中所述磁性极元件的径向高度至少对应所述至少一个第二极单元21的厚度。3.根据权利要求1或2所述的同步超导旋转机械,其特征在于,所述至少一个前壁25面向所述定子8,所述壳体还包括连接至所述至少一个前壁25的至少一个端壁41,其中所述至少一个端壁41进一步连接至所述护铁18和所述转子结构(12中的至少一个。4.根据权利要求1-3任一项所述的同步超导旋转机械,其特征在于,所述至少一个第二极单元21包括围绕各自第二极单元21的至少一个热屏蔽件31,其中所述至少一个热屏蔽件31通过第一冷却系统主动冷却。5.根据权利要求4所述的同步超导旋转机械,其特征在于,所述第一冷却系统通过一组热传递元件连接至所述至少一个热屏蔽件31,所述一组热传递元件设置为将热量从所述至少一个热屏蔽件31移除,其中所述热传递元件中的至少一个通过另一个热传递元件进一步连接至所述至少一个隔热支撑元件34。6.根据权利要求1-3任一项所述的同步超导旋转机械,其特征在于,所述至少一个第二极单元21包括围绕各个第二极单元21的至少一个热屏蔽件30,其中所述至少一个热屏蔽件30为被动热屏蔽件,并包括至少一个隔热层。7.根据权利要求1-6任一项所述的同步超导旋转机械,其特征在于,所述超导线圈(23由高温超导材料制成,并设置为在不超过70K的低温工作温度下运行。8.根据权利要求7所述的同步超导旋转机械,其特征在于,所述至少一个第二极单元还至少包括:-至少一个间隔元件28,设置在芯元件27和所述超导线圈(23之间。9.根据权利要求1所述的同步超导旋转机械,其特征在于,所述至少一个隔热支撑元件34的热导率低于40Wm·K。10.根据权利要求1或9所述的同步超导旋转机械,其特征在于,所述第一磁性气隙(32径向高度为1_至30mm,且或所述至少第二磁性气隙(33径向高度为15mm至50mm。11.根据权利要求1-10任一项所述的同步超导旋转机械,其特征在于,所述至少一个第二极单元21进一步连接至第二冷却系统,第二冷却系统设置为将所述超导线圈(23冷却至低温工作温度。12.根据权利要求1-11任一项所述的同步超导旋转机械,其特征在于,所述旋转机械设置为发电机7。13.—种风力涡轮机1,包括:-机舱⑷,设置在风力涡轮机塔架⑵上;-相对所述机舱⑷设置的可转动轮毂5,所述轮毂5连接至至少两个风力涡轮机叶片⑹;-连接至所述轮毂5的发电机7,其中所述发电机7包括相对定子8可转动设置的转子9,其中-所述发电机⑺为根据权利要求1-12任一项所述设置的同步超导发电机。

百度查询: 远景能源(江苏)有限公司;五源生态公司 具有连续极配置的同步超导旋转机械

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息,力求客观、公正,但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解,仅供参考使用,不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

相关技术
相关技术
相关技术
相关技术